一种基于空间坐标信息广播的WSN节点定位方法

摘要

本发明公开了一种基于空间坐标信息广播的WSN节点定位方法，该方法利用单个移动锚节点，间接利用RSSI算法，属于无线传感器网络中移动锚节点非测距方法，该方法的移动锚节点在空中既定规划路径上运行，并按一定周期，定期广播当前的定位信息。规划的路径沿经纬线设计，利用同一纬线上的广播点纬度恒定，而经度不同；同一经线上的广播点经度恒定，而纬度不同的原理，利用未知节点通信半径内所接收最强的两个信号强度(即RSSI)比值及其位置信息，通过简单的运算计算出待定位区域的未知节点定位信息。本发明不仅具有良好的定位精度，还可以显著降低定位运算的复杂度，消除定位盲区，节约定位时间。本发明尤其适用于地势起伏、能有较多障碍物的待定位区域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于空间坐标信息广播的WSN节点定位方法，属于无线传感器定位技术领域。

背景技术

无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，即WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

许多运用传感网络的应用正在兴起，如：环境监测、智能建筑故障检测和报告、问题追踪等。在这些应用中，为了使得所采集到的数据能够清楚地表达出地理位置，节点的自身定位显得尤为重要。

由于节点工作区域往往是人类不适合进入的区域，可能是悬崖，可能是峡谷，也有可能是敌对区域。有时候传感器节点是通过飞机进行撒放的，所以，节点的具体位置不能事先确定。且传感网络的应用往往涉及到巨大数量的节点。这些特点使得统一部署管理每一个节点变得不现实。

GPS定位系统是目前使用最广泛最成熟的定位系统，但是其对于节点的能耗要求比较大，而且成本昂贵。无线传感器网络的节点数量庞大，且每个节点功率低，可靠性低，只能和邻近的有限数量的节点进行通信。所以，GPS显然不是一个合适的选择。我们希望找到一种方法使得传感网络可以自组织坐标系。

目前，学术界已经提出了很多节点定位算法。绝大多数的传感网络节点定位算法研究可分为两大类：基于测距的定位算法和非测距的定位算法。在无线传感器网络中，我们通常用GPS定位设备或者人工部署等手段获取少量传感器节点的位置，这些节点称为锚节点或信标节点，其余大量节点的位置是未知的。这些未知节点通过与锚节点之间的某种通信来确定自身的位置。其中，通过测量与锚节点间的距离或角度来进行自身节点定位的算法称为基于测距的算法。而仅依据相对位置关系或网络连通性来进行自身节点定位的算法称为非测距的定位算法。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于解决了在复杂地势情况下，传感器网络中大量节点的自身定位的问题，提出了一种基于空间坐标信息广播的WSN节点定位方法，该方法利用空中资源，巧妙地避开了峡谷、丘陵等起伏不平的地势和可能遇到巨大的障碍物的情况。采用沿经线和纬线的直线飞行方式，减短了总运行路径。利用接收信号强度来估算传感器节点的位置，简化了定位的算法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：本发明首先确定定位范围，然后将需要定位的区域用一个矩形框框起来，矩形框两条边应与纬线平行。

确定飞行平面距离最低地势的高度h，通信半径R，规划路径的飞行间距运行轨迹超出矩形框长度为s＝vT(v为飞机匀速飞行速度，T为锚节点广播周期)。

传感器节点实时接收锚节点信号，当飞机沿纬线运行时，待定位节点记录下通信半径内收到的所有经度和其对应的接收信号强度(即RSSI)。选取RSSI最强的两个经度信息，假设最强的RSSI处的经度为x₁，RSSI为m₁，次强的RSSI处的经度为x₂，RSSI为m₂，利用计算出经度x。同理，当飞机沿经线运行时，可通过计算出维度y。当所有节点都存储好经纬度时，定位结束。

方法流程：

本发明提供一种基于空间坐标信息广播的WSN节点定位方法，该方法的路径规划包括如下步骤：

第一步：确定定位范围，将其至于矩形框内；

第二步：确定飞行高度，测出最低地势海平面高度H，选取合适的飞行高度h，即(0<h<R，R为节点的通信半径)，从而确定飞行平面高度H+h；

第三步：确定飞行间距，由上一步确定的h和节点的通信半径R，规划路径的飞行间距为$>d=2\sqrt{R^2-h^2};$>

第四步：确定飞行轨迹，锚节点运行轨迹先后沿纬度和经度运行通过待定位区域，运行轨迹在超出待定位区域的矩形框后，再运行距离为s＝vT(s为运行轨迹超出矩形框长度，v为飞机匀速飞行速度，T为锚节点广播周期)。

本发明是基于RSSI比值和经纬度的非测距定位算法，包括如下步骤：

第一步：待定位节点在锚节点沿纬线和经线运行时，记录下通信半径内所收到的所有锚节点信息，同时记录下每个锚节点位置上所接收到的信号强度指示RSSI；

第二步：待定位节点从所接收到的所有信息中，选取RSSI最大的两个锚节点信息；

第三步：利用公式计算出经度x，通过公式计算出维度y。其中，(x₁,y₁)为接收信号强度最强处的经纬度，x₁为经度，y₁为纬度，m₁为其信号强度。(x₂,y₂)为接收信号强度次强处的经纬度，x₂为经度，y₂为纬度，m₂为其信号强度。(x,y)为待定位未知节点的经纬度，x为经度，y为纬度；

第四步：存储定位信息，定位完成。

本发明是基于单个的锚节点在空间的运行；锚节点在空中规划平面运行，避开在地面上存在的复杂的地形和障碍物。

有益效果：

1、本发明采用单个锚节点，只需给锚节点配备GPS设备，与多锚节点算法相比，本发明能够很好地节约成本。

2、本发明间接利用RSSI算法，有效地规避了衰落给距离测算的带来的误差，具有良好的定位精度。

3、本发明采用的定位方法计算量小，可以显著降低定位运算的复杂度。

4、本发明利用空中资源，能够很好地适用于地势起伏、或有较多障碍物的待定位区域。

5、本发明可以有效地缩短锚节点运行时间，能够全面覆盖待定位区域，避免了定位盲区，节约定位时间。

附图说明

图1为本发明确定定位范围的示意图。

图2为本发明确定飞行平面高度的示意图。

图3为本发明计算锚节点飞行间距的示意图。

图4为本发明移动锚节点路径规划示意图。

图5为本发明待定位节点在通信范围内接收锚节点信息的示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

本发明相关参数的说明，包括：

v—为飞机匀速飞行速度；

T—为锚节点广播周期)；

H—最低地势海平面海拔高度；

h—距离最低地势平面的高度(0<h<R)；

H+h—锚节点运行平面海拔高度；

R—通信半径；

d—飞行间距；

s—运行轨迹超出矩形框长度；

(x₁,y₁)—接收信号强度最强处的经纬度，x₁为经度，y₁为纬度；

(x₂,y₂)—接收信号强度次强处的经纬度，x₂为经度，y₂为纬度；

(x,y)—待定位未知节点的经纬度，x为经度，y为纬度；

m₁—接收信号强度最强处的信号强度；

m₂—接收信号强度次强处的信号强度。

本发明提供了一种基于空间坐标信息广播的WSN节点定位方法，该方法包括如下步骤：

如图1所示，本发明确定定位范围，用一个矩形框将未知节点都包含其中，矩形框两边与纬线平行。

如图2所示，本发明选取最低地势，测出最低地势海平面高度H，选取合适的飞行高度h(0<h<R)，从而确定飞行平面，海拔H+h米。

如图3所示，由上一步确定的飞行高度h和传感器节点的通信半径R，可通过公式计算出锚节点间距，即飞行器飞行间距d。结合图3所示，当锚节点间距为：时，落在最低地势平面的待定位节点也可以被无缝覆盖。而处于地势较高平面的传感器节点也可以被定位成功。证明如下：如图3中虚线所示，当地平面上升时，地面被覆盖范围△d>d。所以，当锚节点间距时，定位区域内没有盲区，所有的待定位节点都能收到锚节点信息。

如图4所示，本发明中，锚节点运行轨迹如图4中实线所示，虚线矩形框为待定位区域。锚节点首先沿着纬线运行，从西往东穿越待定位区域，同时，通过信号发射器按周期T定期发送其所在位置的经纬度信息。

为使处于待定位区域边缘的待定位节点能够定位成功，锚节点在越过定位区域后s距离再掉头行驶，其中，s＝vT，v为锚节点运行速度，T为锚节点广播信息的周期。这样设计的目的是保证在待定位区域边缘外，锚节点一定会再广播一次其经纬度信息，以确保处于待定位区域边缘的未知节点能够定位成功。当覆盖待定位区域内所有与纬线平行的轨迹后，再沿垂直方向的经线运行，同时定期广播锚节点信息，直到覆盖所有与经线平行的轨迹。由此，锚节点的任务完成，其他的定位工作由地面上的待定位节点完成。

本发明中待定位节点运用的定位算法是利用了RSSI算法，但是不直接利用RSSI来计算确切的距离，而是利用RSSI大小的比值确定定位位置，从而减少衰落所引起的定位误差。所以本发明属于非测距定位算法。

待定位节点在锚节点沿纬线运行时，记录下通信范围内所收到的所有锚节点信息，并记录下每个锚节点位置上所接收到的信号强度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)。

如图5所示，本发明待定位节点从所接收到的所有信息中，选取RSSI最大的两个锚节点信息。如图5中，A、B两处的RSSI最大，A处经纬度为(x₁,y₁)，RSSI强度为m₁，B处经纬度为(x₂,y₂)，RSSI强度为m₂，未知节点O经纬度为(x,y)。在锚节点沿纬线运行时，锚节点的经度不断变化，而纬度保持恒定。由此，可通过公式计算出未知节点O的经度x。同理，当锚节点沿着经线运行时，未知节点记录下通信范围内所有锚节点信息，并记录下每个锚节点位置上接收信号强度RSSI，选取RSSI最大的两个锚节点信息，通过公式计算出其纬度y。

由此，本发明待定位区域内的未知节点在锚节点运行完成如图4所示的轨迹后，即可全部定位完成。